Взгляд со стороны. Естествознание и религия

Сознание возникает в результате непрерывных попыток мозга предсказать не только последствия своих действий для мира и других агентов, но также последствия активности в одной области мозга для активности в других областях.[225 - Cleeremans А. The Radical Plasticity Thesis: How the Brain Learns to be Conscious, 09.05.2011. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3110382/.].

Нобелевский лауреат Роджер Пенроуз утверждает, что нам нужно в корне поменять представление о физическом мире, чтобы в нём нашлось место сознанию; мы должны преодолеть квантовую механику и создать совершенно новую науку. В 1989 г. в книге The Emperor’s New Mind он высказал предположение, согласно которому в человеческом сознании присутствуют квантовые эффекты. По мнению Пенроуза, коллапс квантовой интерференции и суперпозиции является реальным физическим процессом (объективной редукцией).

В 1994 г. совместно с американским профессором анестезиологии и психологии из Университета Аризоны Стюардом Хамероффом Пенроуз создал нейрокомпьютерную Orch OR модель сознания как пространственно-временную суперпозицию некоторых квантовых когерентных процессов в мозге. Когерентность – это согласованная динамика квантовых состояний. Носителями квантового сознания, по мнению учёных, служат входящие в состав цитоскелета микротрубочки – белковые внутриклеточные структуры, представляющие собой полые цилиндры диаметром 25 нанометров, в которых может присутствовать квантовая когерентность.

В. Д. Цыганков, один из участников создания первых в СССР полупроводниковых ЭВМ «Урал», в своей статье «Нейрокомпьютерная Orch or-схема сознания», приводит основные особенности модели Хамероффа – Пенроуза:

– между элементами в больших областях мозга существуют макроскопические квантовые состояния когерентной суперпозиции;

– когерентные квантовые состояния изолированы от внешней среды в течение времени когерентности и существуют в мозге человека около 500 микросекунд;

– коллективные взаимодействия между элементами обрабатывают информацию как путём классических последовательных вычислений (последовательные процессы конформации молекул), так и одновременными параллельными квантовыми вычислениями (квантовые когерентные линейные суперпозиции состояний множества элементов. Это под- и предсознательные процессы);

– при квантовых вычислениях возникает движение масс. Гравитационная энергия возмущает геометрию пространства-времени;

– Orch OR – это процесс «оркестрованного» (структурированного) выбора множества новых конформационных состояний, образования сетей связи и выбора типов элементов нейронов;

– глобальное единство и постоянство сознания – это свойство крупномасштабной квантовой когерентности, охватывающей большие области мозга или весь мозг. Во время Orch OR-процесса варьируется число элементов и время когерентности таким образом, что их произведение сохраняется равным некоторой константе. Чем интенсивнее сигнал, тем быстрее реакция в виде Orch OR-процесса.

Смысл термина «Orch OR» схемы или процесса в том, что связи между элементами (точки соединения элементов) как бы «оркеструют» квантовую когерентность (настраивают многоголосый ансамбль возбуждений нейронов, элементов). Это и есть осознание, или «оркестрованная (Orch) объективная редукция (OR)» волновой функции, когда множество состояний редуцируется в одно, конечное макросостояние или мысль.

В. Д. Цыганков разработал и построил виртуальный нейрокомпьютер «Эмбрион», программную модель которого, по его мнению, можно считать «зародышем искусственной нервной системы, искусственного мозга, искусственного интеллекта». С помощью виртуального нейрокомпьютера учёный показал общность модели сознания Хамероффа – Пенроуза и квантовых когерентных процессов в виртуальном нейрокомпьютере «Эмбрион»[226 - Цыганков В. Д. Нейрокомпьютерная Orch or-схема сознания, 27.09.99. https://cyberleninka.ru/article/n/neyrokompyuternaya-orch-or-cxema-soznaniya.].

По теории Хамероффа, человеческий мозг – это природный квантовый компьютер, сознание – его программное обеспечение, а накопленная на квантовом уровне информация – душа. В эфире телеканала Discovery Science в программе «Сквозь тоннель в пространстве» Хамерофф сообщил, что, поскольку квантовая информация не может быть уничтожена, разработанная научная теория подтверждает существование загробной жизни и бессмертие души.

По словам учёного, человеческие души созданы из некоего материала, «гораздо более фундаментального, чем нейроны, из самой ткани Вселенной». Хамерофф уверен, что, когда человек умирает и тело разрушается, квантовая информация, содержащаяся в микротрубочках, которые накапливают и обрабатывают в мозгу информацию, не уничтожается, а распространяется в космосе. «Думаю, что сознание всегда существовало во Вселенной, – говорит профессор. – Возможно, со времён Большого взрыва»[227 - РБК: Учёные нашли доказательства жизни после смерти, 31.10.2012. https://www.rbc.ru/society/31/10/2012/5703fed79a7947fcbd442008.].

Специалисты считают теорию Хамероффа – Пенроуза не подкреплённой достаточными доказательствами, и потому ошибочной.

Профессор из Кембриджского университета Эдриан Кент уверен, что нет никаких убедительных оснований полагать, что квантовая теория – это подходящая теория, из которой можно извлечь теорию сознания, или что проблемы квантовой теории должны как-то пересекаться с проблемой сознания.

Резкой критике подверг теорию Хамероффа – Пенроуза космолог Массачусетского технологического института Макс Тегмарк. В книге «Наша математическая Вселенная» учёный подсчитал, что квантовые эффекты внутри микротрубочек могут продлиться не более 100 фемтосекунд (100 квадриллионных долей секунды, за это время свет проходит около 30 микрон). И если мысли – результат квантовых процессов, они должны возникать до того, как наступит квантовая декогорентность, то есть мы должны думать со скоростью 10

мыслей в секунду.

По мнению большинства исследователей, ни о каких квантовых вычислениях в мозгу не может быть и речи. Происходящие в нервной ткани биохимические процессы длятся не более секунды. Информация в нейронах хранится несколько микросекунд. Невозможно представить, каким образом природа может стабилизировать в биологических системах когерентное электронное квантовое состояние.

Но не всё однозначно с квантовыми процессами в структурах мозга.

Появляется всё больше свидетельств, указывающих на использование биологическими системами квантовых эффектов. Физикохимик Мохан Саровар из Калифорнийского университета в Беркли и его команда установили, что квантовая запутанность является частью процессов фотосинтеза. При этом исследователи продемонстрировали, что квантовая запутанность может устойчиво существовать в хаотичной среде биологических систем, несмотря на эффекты декогерентизации[228 - Sarovar M., Ishizaki A. et al. Quantum entanglement in photosynthetic light harvesting complexes, 07.06.2010. https://arxiv.org/abs/0905.3787.].

В упрощённом виде, по теории учёных, фотосинтез можно представить следующей моделью: фотоны поглощаются молекулами хлорофилла, встроенными в белковые каркасы. Эти светособирающие «антенны» передают фотонную энергию в виде возбуждения электронов через серию квантово-механически связанных молекул хлорофилла к месту реакции. Там захваченная энергия катализирует производство сахаров. Электронное возбуждение, действующее как волна амплитуды вероятности, может одновременно производить выборку различных молекулярных путей, соединяющих антенные ячейки с центром реакции. Возбуждение «выбирает» наиболее эффективный маршрут от поверхности листа до места конверсии сахара из квантового меню возможных путей. Для этого необходимо, чтобы все возможные состояния движущейся частицы на десятки фемтосекунд были вложены в единое когерентное квантовое состояние[229 - Quanta Magazine: In Pursuit of Quantum Biology with Birgitta Whaley, 30.07.2013. https://www.quantamagazine.org/in-pursuit-of-quantum-biology-with-birgitta-whaley-20130730/.].

Установлено, что птицы во время миграции с высокой точностью определяют свои географические координаты – широту и долготу. Широту они определяют по углу наклона магнитного поля Земли, вектор которого на экваторе направлен горизонтально, а у магнитных полюсов – вертикально.

Используя компьютерное моделирование, учёные из Оксфордского университета в Англии и Университета Ольденбурга в Германии показали, что для навигации перелётные птицы используют «квантовый компас», позволяющий им определять вектор магнитного поля Земли с точностью меньше пяти градусов[230 - Hiscock H., Worster S. et al. The quantum needle of the avian magnetic compass. – PNAS, 2016. https://doi.org/10.1073/pnas.1600341113.].

По гипотезе учёных, пары светопоглощающих молекул белка криптохрома в сетчатке глаза птицы создают запутанные электроны, квантово-механическое состояние которых зависит от угла наклона магнитного поля Земли. Они катализируют химические реакции, посылающие в мозг сигналы, значение которых зависит от магнитного наклонения.

Вышеприведённые исследования над растениями и животными показывают, что квантовые эффекты в мозгу человека полностью исключить нельзя. Физик-теоретик Мэтью Фишер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружил, что присутствующие в живых клетках ядра атомов фосфора могут поддерживать квантовое состояние, что позволяет функционировать мозгу как квантовому компьютеру[231 - Fisher М. Quantum cognition: The possibility of processing with nuclear spins in the brain. – Annals of Physics, 2015. https://doi.org/10.1016/j.aop.2015.08.020.].

Профессор Университетского колледжа Лондона Александра Олайа-Кастро, работавшая над квантовым фотосинтезом, называет выводы Мэтью Фишера хорошо продуманной гипотезой, которая не даёт ответов, но открывает вопросы, которые могут привести нас к проверкам отдельных шагов гипотезы.

С Олайа-Кастро согласен и химик Оксфордского университета Питер Хоур: «Физик-теоретик предлагает нам определённые молекулы, механизмы и всю технологию того, как они могут влиять на работу мозга. Это открывает возможности для экспериментальных проверок».

Поскольку никто не знает, что такое сознание и как оно возникает, все выдвигаемые теории происхождения сознания – гипотезы с недостаточно аргументированными концепциями. Исследователи так и не смогли установить, есть ли в мозгу область, без которой сознание невозможно. Противоречивые выводы учёных о происхождении сознания наводят на мысль, что это не продукт материальной деятельности мозга, а независимая от него информационная сущность.

Мнение Акселя Клиреманса, согласно которому обучение и пластичность имеют центральное значение для сознания, представляется спорным. Известно, что посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР) – непсихотическая отсроченная реакция на травматический стресс – развивается в катастрофических обстоятельствах (природные и техногенные катастрофы, боевые действия, насилие) и вызывает нарушение в психической сфере по аналогии с физическими нарушениями. В этом случае, согласно существующим концепциям, нарушается структура самости, когнитивная модель мира, аффективная сфера, неврологические механизмы, управляющие процессами научения, система памяти, эмоциональные пути научения[232 - Тарабарнина Н. В. Практикум по психологии посттравматического стресса. – СПб.: Питер, 2001.].

Независимо от желания человека, возникают травматические воспоминания. Они часто появляются в форме повторных переживаний или ночных кошмаров. При этом невозможно усилием воли или путём поступления новой информации переключиться и перестать думать о прошлом событии.

Проведённые европейскими нейрофизиологами исследования дают основания полагать, что у младенцев базовые зачатки сознания появляются как минимум на пятом месяце жизни или даже раньше. По предположению учёных, малютки воспринимают мир примерно так же, как и взрослые[233 - Gabrielsen P. When Do Babies Become Conscious? 19.04.2013. https://www.wired.com/2013/04/baby-consciousness/.]. Но в этом возрасте нейронные сети в мозгу ещё не сформированы. К тому же большинство нейронных цепей, образованных в детстве, с возрастом за ненадобностью убираются. Их заменяют стереотипы мышления.

Особенностью нейронных сетей является способность их к обучению. Они работают не только в соответствии с заданным алгоритмом, но и на основании прошлого опыта. Но работе нейронной сети должна предшествовать программа, которая запускает нейронную сеть. Физическое тело нейронной сети, созданное по программе генетического кода, не содержит специальных алгоритмов обучения, позволяющих мозгу натренировать самого себя чувствовать ментальные образы и ощущения.

По принципу организации и функционирования биологических нейронных сетей – сетей нервных клеток живого организма – учёные построили искусственную нейросеть. Глубокое обучение позволило создать нейросеть, подобную на мозг, и научило её узнавать предметы, которых она раньше не видела. Но и глубокое обучение, в основу которого положено научение представлениям, а не специализированным алгоритмам под конкретные задачи, не привело к возникновению даже элементарного сознания.

Путём перепрограммирования соматических клеток непосредственно в мозговые органоиды, исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего в США нашли способ массового производства «мини-мозгов» – упрощённых моделей человеческого мозга. «Церебральные органоиды могут образовывать различные области мозга, – пояснил директор программы стволовых клеток Калифорнийского университета Алиссон Муотри. – У них есть функциональные нейроны, способные к электрическому возбуждению, и на уровне экспрессии генов они напоминают развитие коры головного мозга человека»[234 - Scott Lafee S. Building a Better Brain-in-a-Dish, Faster and Cheaper, 06.09.2018. https://health.ucsd.edu/news/releases/Pages/2018–09–06-building-a-better-brain-in-a-dish-faster-cheaper.aspx.]. Но и у мозговых органоидов учёные не обнаружили даже малейших признаков сознания.

Известно, что, используя уже имеющуюся информацию, можно предсказывать будущее, и следовало бы ожидать, что мозг должен нас предупреждать, что мы обязательно умрём. Однако этого не происходит. В мозг откуда-то поступает команда на отключение всех мыслей, связанных с личной предстоящей смертью.

Учёные из Бар-Иланского университета в Израиле представили доказательства, что мозг блокирует мысли, связанные с личной будущей кончиной, и когда он получает такую информацию, мы не воспринимаем эти данные.[235 - Dor-Ziderman Y., Lutz A., Goldstein A. Prediction-based neural mechanisms for shielding the self from existential threat. – NeuroImage, 2019. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811919306688.]. Человек хорошо представляет смерть других, но его никогда не посещают навязчивые мысли о собственной предстоящей неминуемой гибели.

Самостоятельно мозг едва ли способен блокировать мысли – он не законодатель. Исследователи из Университета штата Нью-Йорк в Буффало с помощью метода магнитно-термической стимуляции научились отдавать команды мозгу и управлять двигательными функциями подопытных животных. Учёные путём активации клеток в головном мозге заставляли мышей бегать, крутиться на месте, повергали в ступор так, что ни одна лапка у них не могла пошевелиться. Для этого с помощью генной инженерии животным встроили ген белка, который контролирует поток ионов сквозь клеточную мембрану и одновременно реагирует на температуру[236 - Стасевич К. Как управлять мозгом на расстоянии, 18.08.2017. https://www.nkj.ru/news/31957/ (https://www.nkj.ru/news/31957/).].

Мозг – невообразимо сложное многофункциональное вычислительное устройство, принцип работы которого практически недоступен для понимания. «В коре головного мозга 17 миллиардов нейронов. Чтобы понять, что они делают, мы часто проводим аналогии с компьютером, – рассказывает нейробиолог из Ноттингемского университета в Великобритании Марк Хамфрис. – Некоторые аргументы полностью основаны на этой аналогии. Другие считают её заблуждением. В пример часто приводят искусственные нейросети: они производят вычисления и состоят из нейроноподобных вещей, поэтому и мозг должен вычислять. Но если мы думаем, что мозг – это компьютер, потому что он подобен нейронной сети, то мы должны признать, что отдельные нейроны тоже являются компьютерами. Все 17 миллиардов в коре. Возможно, все 86 миллиардов в мозге. Это значит, что кора головного мозга – не нейронная сеть. Это нейросеть из нейросетей»[237 - Humphries M. В коре вашего мозга 17 млрд компьютеров, 26.03.2019. https://habr.com/ru/post/445420/.].

Специалист в области клеточных механизмов памяти, член-корреспондент РАН П. М. Балабан сообщил следующее: «У нас в мозгу 100 миллиардов нейронов. Для того чтобы куда-то перевести хоть простейший навык или рефлекс, надо перевести связи между этими миллиардами клеток. А у каждой такой клетки – 10 тысяч связей с другими. Умножьте 100 миллиардов ещё на 4 порядка. На сегодняшний день такого компьютера даже нет»[238 - Цит. по: Смирнов Л. Воскрешение из мёртвых: наука или фантастика? 01.09.2016. https://mir24.tv/news/14960282/voskreshenie-iz-mertvyh-nauka-ili-fantastika.]. Тем не менее большинство биологов уверены, что этот природный «суперкомпьютер», принцип работы которого никто не может понять, возник случайным образом, путём естественного отбора.

Исследователи со всего мира прилагают огромные усилия, чтобы выяснить, как функционирует мозг человека. В США в 2009 г. был запущен проект Human Connectome Project («Коннекто?м человека»). В 2013 г. администрация президента Обамы одобрила проект Brain Activity Map Project («Карта активности мозга»). В Китае для изучения мозга создан научно-исследовательский центр HUST-Suzhou Institute for Brainsmatics.

Но, пожалуй, самым амбициозным из проектов современности по моделированию человеческого мозга является Human Brain Project («Человеческий мозг»), основанный в 2013 г. в Женеве. В нём участвует 121 научный институт в 20 европейских странах. Руководитель и координатор – известный исследователь мозга профессор Генри Маркрам.

В 2005 г. Маркрам предложил необычную техническую задачу – создание масштабной суперкомпьютерной модели всех 100 миллиардов нейронов человеческого мозга. Идея учёного получила поддержку со стороны Европейского союза и корпорации IBM. Так в Политехнической федеральной школе Лозанны (EPFL) стартовал общеевропейский мегапроект Blue Brain Project по моделированию мозга на суперкомпьютере.

В 2006 г. было объявлено об успешном завершении первого этапа исследований и функционирующей модели корковой колонки, состоящей из 10 тысяч нейронов. Исследователи воссоздали in silico (на компьютере) участок мозга крысы, который до этого досконально был изучен на реальных биологических объектах. Для моделирования 10 тысяч нейронов потребовалось задействовать 8 192 процессора компьютера Blue Gene. Это была первая модель корковой колонки клеточного уровня, созданная исключительно по биологическим данным.

Девять лет понадобилось программистам и нейрофизиологам из Blue Brain, чтобы дойти до конца второго этапа проекта и биологически точно повторить структуру участка мозга крысы объёмом 0,29 мм

, состоящего из нескольких колонок. Было сымитировано около 30 тысяч нейронов, что составило около 0,1–0,2 % от всего мозга крысы. Стало очевидным, что возлагаемые ожидания на Blue Brain Project не оправдались. С имеющимися в настоящее время вычислительными мощностями суперкомпьютеров достижимой целью может быть модель только из 100 тысяч нейронов[239 - Бережной Д. Blue Brain Project – мегапроект для исследований мозга, 05.11.2020. https://www.kommersant.ru/doc/4558533.].

С помощью математических методов алгебраической топологии в ходе исследований было установлено, что мозг обрабатывает визуальную информацию, создавая многомерные неврологические структуры, которые распадаются, как только данные становятся понятны. В мозгу были впервые обнаружены многочисленные геометрические конструкции, сформированные нейронами и пустыми пространствами между ними, которые оказались крайне важными для работы мозга.

Каждый нейрон внутри мозга, соединяясь с соседним, формирует определённым образом объект со сложными связями. И чем больше нейронов присоединяется к группе, тем больше измерений добавляется к объекту. «Мы открыли мир, который не могли себе представить, – говорит профессор Маркрам. – Даже в маленькой крупинке мозга существуют десятки миллионов объектов, у которых есть до семи измерений. А в некоторых сетях мы обнаружили структуры с 11 измерениями»[240 - Osborne H. Brain Architecture: Scientists Discover 11 Dimensional Structures That Could Help Us Understand How the Brain Works, 12.06.2017. https://www.newsweek.com/brain-structure-hidden-architecture-multiverse-dimensions-how-brain-works-624300.].

Создание сверхмощных суперкомпьютеров, которые позволят построить полную карту человеческого мозга с отображением всех соединений нейронов, едва ли приблизит учёных к разгадке мозга. Академик РАН С. В. Медведев в интервью «Российской газете» сообщил: «Учёные говорят, что, выполняя определённую работу, нейроны что-то шепчут друг другу. А вот когда они "пошепчутся", приходит импульс, который стирает эту беседу и готовит нейрон к новому разговору. Причём это шептание приборами не фиксируется, а фиксируется только сброс. А он не имеет никакого отношения к сути работы мозга, к пониманию, о чём он думает, о чём говорит, как выполняет разные задачи»[241 - Медведев Ю. Компьютер покажет, как работает мозг. – Российская газета, 2018, № 154 (7617). https://rg.ru/2018/07/17/kompiuter-pokazhet-kak-rabotaet-mozg.html.].

Известно, что структуры мозга в процессе жизни можно перепрограммировать, притом самыми разнообразными способами: профессией, жизненным опытом, уровнем культуры и образования, условиями проживания и воспитания, а также различными методиками.